喉の渇きとは何ですか?

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

水は地球上のあらゆる生命にとって最も基本的な必需品です。すべての生物が酸素を必要とするわけではなく、多くの生物は自ら栄養を作り出します。しかし、深海の微生物や粘菌から樹木や人間に至るまで、あらゆる生物にとって水は切っても切れない存在です。「生命の最初の行為は、細胞膜の中に水を捕らえることだった」と、二人の神経生物学者が最近のレビューで述べています。それ以来、細胞は生き続けるために十分な水分を保たなければなりませんでした。

水は生物体内のあらゆる化学反応が起こる媒体であり、これらの反応は水と塩分（生命の化学反応に不可欠なもう一つの成分）の狭い範囲の比率に精密に調整されています。体内の細胞は水を透過するため、血液、リンパ液、脳脊髄液など周囲の体液の水分と塩分のバランスが健全な範囲から外れると、細胞は膨張したり、収縮したり、縮んだり、さらには破裂したりする可能性があります。バランスが崩れると脳細胞は機能不全に陥り、膜を介したイオン濃度の制御能力や活動電位の伝達能力を失う可能性があります。

水分不足によるこれらの影響は体内のすべての細胞に感じられますが、細胞自体が喉の渇きを訴えるわけではありません。むしろ、体内の水分量を監視して喉の渇きを感じさせるのは脳です。舌の乾燥、喉の熱感、急激な倦怠感といった感覚が、水分を摂取するという行動を促します。

「空腹や喉の渇きを制御するこれらの神経回路は、視床下部や脳幹のような原始的な脳構造の奥深くに位置している」と、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の神経科学者で、喉の渇きの神経生物学に関するレビュー論文を最近ニューロン誌に共同執筆したザカリー・ナイト氏は述べた。

これらの脳領域は、位置だけでなく、多種多様な細胞と複雑な回路を持つ構成のため、研究が困難です。そのため、神経科学者が喉の渇きの根本的な仕組みを理解し始めたのは、ここ10年ほどのことです。研究者たちは、体内には、生物が摂取すべき水分や塩分の量に関する手がかりを脳に送るセンサーが満ち溢れていることを発見しました。これらのセンサーがどのように機能するのか、あるいはそもそも何なのか、科学者たちは依然として解明できていません。その存在は、興味深い洞察を与えてくれます。水は生命活動の基本かもしれませんが、喉の渇きは推測に過ぎないのです。

環境センシング

哺乳類の渇きを理解するには、体が脳に「水が必要だ」と伝えるのではなく、脳が環境、つまり体を監視していると考えましょう。生態学者が川のサンプルを採取するように、脳は血液の化学組成を調べて、体が何を必要としているかを知ります。

ほとんどの場合、いわゆる血液脳関門が、血液中を循環する細菌、ウイルス、その他の危険物質から脳を守っています。しかし、脳が血液と直接接触する例外もいくつかあります。例えば、視床下部付近の脳深部にある脳室周囲器官などがこれにあたります。

これらの器官のうち2つ、終板血管器（OVLT）​​と脳弓下器（SFO）は、鼻や耳と似た感覚器官です。科学者が体内の血液の流れにバケツを浸して健康状態を調べるのと同じように機能します。脳はこれらのデータから体に必要な塩分と水分を推測し、その情報をさらに深部の神経回路に送り込みます。そして、喉の渇き、口の渇き、脳のぼんやり感といった、私たちが喉の渇きとして感じる感覚を誘発するのです。

血液検査器官は水位ではなく塩分濃度を測ります。塩分の健康的な範囲は、脊椎動物が最初に進化した汽水の潮間帯の濃度とほぼ同じです (海水の約 3 分の 1 の塩分濃度です)。水と塩分の比率が低すぎると、喉が渇きます。人体は約 60 パーセントが水で構成されていますが、この数値は組織によって異なります (骨は 31 パーセント、脳は 73 パーセント、肺は 83 パーセント)。通常約 60 パーセントである血液の水分含有量が 1 パーセントから 3 パーセント変化すると、OVLT と SFO が、行動の動機となる馴染みのある不快な感覚を引き起こすのに十分です。塩分レベルが高いと、動物は水を飲みます。

しかし、水を飲むことと水分と塩分のバランスを整えることの間には矛盾があります。水は摂取されてから血流に入るまで30分から60分かかりますが、脳は体に必要な水分があるかどうかを判断するのにそれほど長く待つことはできません。脳はほぼ即座に判断を下さなければなりません。動物は30分間じっと座って水を飲むことだけをしているわけにはいかないのです。

そこで脳は推測します。謎めいたセンサーがさらに作動します。一つは口と喉を通過する水の量を大まかに推定し、脳に最初の信号を送ります。二つ目の信号は腸から送られます。腸管から送られる信号は、水に反応し、さらには胃が水を飲み込む際に機械的に伸びることにも反応する特定の細胞種から来ます。1分以内にこれらの信号は脳に到達し、喉の渇きを誘発するために活性化されたOVLTとSFOのニューロンを遮断します。喉の渇きの反応は停止し、喉は冷え、口は再び湿ります。

しかし、喉の渇きは恒常性維持の一側面に過ぎません。塩分、より具体的にはナトリウムは、動物が摂取する最も重要なものの一つです。動物は、ニューロンが活動電位を発火させ、タンパク質が形状と機能を維持し、細胞内で化学反応を起こすために、つまり生命活動の日常動作であるナトリウムを必要とします。私たちは、これらすべての機能を可能にするために、体液中のナトリウムイオン濃度を維持する必要があります。これは、喉の渇きのもう一つの側面なのです。

「体にとって非常に重要なものは、不足すると自然に補おうとする本能が働くほどです」とナイト氏は言う。「酸素、食物、水、そしてナトリウムです」

しかし、私たちのような動物は、酸素、食物、水に対する欲求のような強力で支配的な衝動として塩分を欲することはない。センサーが塩分濃度を脳に伝え、OVLTとSFOに加えて、心臓のセンサーが心房と心室の拡張を感知する。しかし、胃が食べ物を求めてムカムカしたり、喉がイガイガして水を求めて叫んだりするような、塩分が必要なときに塩辛さを感じることはない。その代わりに、塩を摂取したいという欲求は、味覚と脳の報酬経路によって調節される。「塩の味は二峰性がある」とナイト氏は言う。「少量では美味しく、多量では海水を飲むようなひどい味になる。」

大きな袋に入ったポテトチップスを食べたい衝動を想像してみてください。体が塩分を必要としている場合、ポテトチップスは快感をもたらすドーパミンを脳に大量に放出します。体が塩分を必要としていない場合、ドーパミンの放出は止まります。「これはいわば強化学習です」と、カリフォルニア工科大学で体の恒常性維持を研究している神経生物学者、ユキ・オカ氏は述べています。「ドーパミンが増えるということは、行動が繰り返されることを意味します。」

渇き方は人それぞれ

河川を監視する科学者はデータを収集し、その結果に基づいて行動するかどうかを選択できます。同様に、脳が血中のナトリウム濃度を測定したからといって、その情報に基づいて行動しなければならないわけではありません。

エレナ・グラチェヴァ氏の十三条線ジリスを例に挙げましょう。イェール大学医学部の神経生理学者であるグラチェヴァ氏は、北米の草原に生息するこの齧歯類を研究し、特定の脳領域がどのように喉の渇きを制御するのかを解明しようとしています。グラチェヴァ氏によると、十三条線ジリスは1年の半分以上を冬眠し、飲食もしないという性質から、この研究に理想的なモデルとなるそうです。「彼らは修道士のようなものです」とグラチェヴァ氏は言います。「8ヶ月もの間、外に出ません。地下の巣穴にも水はありません。」どうして彼らは喉が渇かないのでしょうか？

リスが水を必要としないわけではありません。必要なのです。彼らの体は水を求めています。しかし、グラチェバ氏の研究によると、冬眠中のリスの脳は体からの信号を無視しているそうです。

哺乳類では、血中水分量の低下（つまり、他の条件が同じであれば塩分濃度の上昇）が、2つの連動したプロセスを引き起こします。視床下部はバソプレシンというホルモンを分泌し、腎臓に水分を尿として排出するのではなく保持するよう指示します。そして、SFO（食塩水）が渇きを刺激し、動物に水分を摂取するよう指示します。しかし、ジリスが冬眠中は、バソプレシンのレベルが急上昇しますが、それでも動物は水分を摂取しません。「バソプレシンの回路は正常でしたが、渇きを感知するニューロンの働きが低下していました」とグラチェバ氏は言います。「これら2つの経路は連動していません。」体は体内の水分を保持しようとしますが、それ以上の水分を摂取しようとはしません。

破壊された回路の論理は極めて強力だ。「冬眠中に起こしても、彼らは水を飲もうとしない」とグラチェバ氏は言う。

グラチェバ氏がリスで研究している基盤となるネットワークは、ヒトを含む哺乳類に普遍的に見られる。しかし、同じ神経学的論理が同じ行動につながるわけではない。ヒトは喉が渇くとコップ一杯の水を飲みます。ネコやウサギは主に食物から水分を摂取します。ラクダは脂肪を燃焼させて水分を摂取し（二酸化炭素と水を生成します）、同時に大量の水分を摂取して胃に蓄え、後で必要になった時のために使います。ラッコは海水を飲み、泳いでいる水よりも塩分濃度の高い尿を排泄します。ラッコはこれを積極的に行う唯一の海洋哺乳類です。

それぞれの動物が水と塩分をどのように管理するかは、その生態系、生活様式、そして選択圧によって特化されています。「喉が渇くとはどういうことか？」という問いに、唯一の答えはありません。私たちはそれぞれ独自の方法で喉の渇きを感じます。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。